【《基于STC单片机的智能防干烧电热水壶控制系统设计》9400字】

基于STC单片机的智能防干烧电热水壶控制系统设计摘要智能防干烧电热水壶控制系统设计，是用来检测水壶内的温度和水位，如果水壶内没有水，警报系统启动水壶不加热。有水工作时，当水温达到设定值时，水壶停止加热。人员也可通过蓝牙了解水壶内情况。电热水壶系统以STC89C52单片机为主，由温度、水位测量电路来进行水壶内温度、水位数据的计算测量，待数据被测量完成，电热水壶的使用者能够通过LCD1602液晶屏观测水壶内水温和工作状态。若水壶内没水、水温达到设定值以后，此时，系统声光预警，并能够自行切断加热。系统还添加了无线蓝牙通信，使用人员可通过APP来知道水壶水温，有水无水等工作情况，不在现场也可以了解，大大提高了工作效率和时间。关键词：电热水壶；STC89C52单片机；LCD1602液晶屏；温度测量Abstractsmartelectrickettledesignsystemisasystemtopreventdryburningandexcessivetemperature,whenthereisnowaterintheelectrickettle,thesystemdoesnotheat,whenthetemperatureinthekettleexceedsthepredeterminedtemperature,theheatingsystemalsostopsworking,whilethekettlecontinuestoheart.Duringtheoperation,thesystemcancommunicatethroughBluetoothRealtimeunderstandingofelectrickettleinternaldata.TheelectrickettlesystemtakesSTC89C52singlechipmicrocomputerasthecore,andthetemperaturemeasurementcircuitandwaterlevelmeasurementcircuitareusedtomeasurethetemperaturedataandwaterleveldataintheelectrickettleinrealtime.Whenthedataismeasured,theusersoftheelectrickettlecanobservethetemperaturedataandworkingstateoftheelectrickettlethroughLCD1602LCD.Ifitisdetectedthatthereisnowaterintheelectrickettleandtheheatingtemperaturedataoftheelectrickettlereachestheupperlimit,thesystemwillgiveanaudibleandvisualwarningandcutofftheheatingautomatically.ThesystemalsoaddswirelessBluetoothcommunication.Theusercanestablishcommunicationwiththeintelligentantidryburningelectrickettlecontrolsystemthroughthemobilephoneapp.Theuserofelectrickettlecanaccuratelyunderstandthedatainformationofelectrickettleheatingwithouton-site.Throughthisintelligentcontrolmode,wecaneffectivelygrasptheoperationstatusoftheelectrickettleandimproveitsworkefficiency.Keywords:electrickettle;STC89C52microcontroller;LCD1602LCD;temperaturemeasurement目录1绪论 11.1研究背景及意义 11.2研究现状 11.3主要研究内容 22智能防干烧电热水壶控制系统方案设计 32.1功能要求 32.2设计方案 32.3模块方案选择 42.3.1温度传感器的选择 42.3.2水位传感的选择 42.3.3蓝牙模块的选择 52.3.4数显模块的选择 53硬件电路设计 63.1单片机最小系统电路 63.2LCD1602液晶显示电路 73.3温度检测电路 73.4水量检测电路 83.5加热电路 83.6加热温度设定电路 93.7预警电路 103.8蓝牙通信电路 104软件设计 114.1主软件流程图 114.2DS18B20温度控制流程 114.3LCD1602液晶显示流程 125实物制作与调试 145.1系统实物制作 145.2系统实物调试 15总结 19参考文献 20附录 22附录一原理图 221绪论1.1研究背景及意义随着经济的日益发展，我们普通居民的生活条件已经日益改善。过去的用煤和柴火烧水的情况在城市中已经很少出现，自此我们都会选择电热水壶。其体积小，方便携带，效率高的优点使得它在我们日常生活中大受欢迎，但是它也有一些缺点，比如往往会因为使用人员的疏忽，使得电热水壶持续的工作烧水，造成壶内水分的缺失甚至烧干，对安全也是有极大隐患的。然而自单片机出现以来，就因为它的优异的性能性价比、控制能力强、集成度高和低功耗低电压，便于生产携带而广受好评，其芯片计数、定时、串口通信等功能，可以让终端设备和数据建立通信。我们这次就将单片机和电热水壶相融到一起，可通过单片机完成控制，外围电路完成电热水壶的水位检测、数据传达显示以及加热，并利用软件来驱动单片机，以此来完成一个智能防干烧电热水壶系统，比起一般的电热水壶，有更多先进的功能，思路为可通过水位传感器来检测水壶内的水位以及是否有水，如果没水，水壶将不会加热，并且会声光报警提示人员处理，还可通过温度传感器检测到水壶内的水温，若水温到了我们设定的温度，水壶也会报警提醒人员。还利用蓝牙模块让其与手机建立连接，这样人员就可以直接在手机APP上面直接了解水壶内的烧水情况，相当的方便简单。大大提高了效率以及一些安全隐患的发生。1.2研究现状电热水壶在十九世纪九十年代诞生于芝加哥，对于居民生活需求的提高，对电热水壶要求也日渐增高，对电热水壶的安全性和便捷性的要求日渐强烈。电热水壶的工作原理还是比较简单的，通过沸腾而产生的水蒸气使蒸汽感温元件的双金属片变形，变形后触碰开关断开电源，但是是不能复原的，所以很多电热水壶不能一直持续加热，所以致使很多使用者大意的情况使得水壶内水冷却，但是这种水壶也有好处，比如加热速度快，样式多，便宜。因为科技的发展，电热水壶利用了智能蒸汽感应控温，在水烧开后可以自动断电，防止干烧的特点，但是不足之处在于使用人员不能实时了解水壶内温度，不能报警通知使用者，这点还是需要改善跟进的。国内对电热水壶的需求量相当的大，所以也使得国内的一些电器品牌的电热水壶迅速崛起，比如美的电热水壶，科睿唯安发布的全球企业创新能力报告表明，美的在家电领域的专利认证数为全球第一，其最新发布的电热水壶为硅胶外壳，可折叠收纳，非常的便捷，不易烫坏，并且用户可以选择要不要搭载英国strix温控的电热水壶性能，strix温度器控温精准，在全球的电热水壶市场占着不俗的份额，并设有45/60/75/85℃四段控温，可满足用户的冲饮需求，并采用高硼硅玻璃烧水壶，此水壶最大特点就是可以在外面直接观察壶内水的加热情况，但是美的电热水壶的价格还是普遍偏高，达到200-700元不止，并且在烧水功能以及保温和加热性能都不太足。国外市场的电热水壶也不容小觑，最有名的莫过于日本的虎牌电热水壶，虎牌基本版采用了童锁和倾倒防漏功能，只配置六个小时的预约烧水时间，升级过后的PVW-B搭载VE真空保温，断电后可通过调整瓶内气压取水，十分便捷，并且新增的蒸汽回笼构造可以冷却水沸腾时产生的蒸汽，能避免受潮现象，从功能上更加精细，并且可以实现自动调试需要加热的控温，可以手动加热、自动加热和防干烧特点，对于居民来说，这些特点恰恰满足了对电热水壶的要求，安全、性能强悍和功能齐全，但是高达800人民币的价格让绝大多数家庭望而却步，也因如此，大大削减了市场份额和市场竞争力。1.3主要研究内容智能防干烧电热水壶控制系统设计需要完成的要求如下：（1）智能防干烧电热水壶控制系统设计的背景及现状；（2）智能防干烧电热水壶控制系统的设计方案和要求；（3）智能防干烧电热水壶控制系统的设计电路；（4）智能防干烧电热水壶控制系统的软件设计；（5）智能防干烧电热水壶控制系统实物的制作和调试；

2智能防干烧电热水壶控制系统方案设计2.1功能要求该系统设计中，需要达到的点有以下几个：（1）温度传感器需接受到水温；（2）水位传感器要查看水位；（3）应用STC89C52单片机为内核，驱动该控制系统设计；（4）用LCD1602液晶屏展现壶内水温和水位数据；（5）先检测水壶内有没有水，没有水的情况下，该系统不工作并发出响声告知使用者，反之，可以设定一个温度值，水温满足要求后系统同样会发出响声，提醒使用者，如果水温又降低后，系统重新开始加热；（6）建立蓝牙通信，和手机APP连接，通过手机实时了解水壶情况；2.2设计方案该控制系统设计，达到对温度和水位的检测，若水壶加热时没水，报警系统将运行，报警，加热模块也停止加热，运行过程中，能用蓝牙通信远程监控水壶内情况。我们以STC89C52为核心，并用温度和水位检测电路、数显电路、调节参数电路、蓝牙通信电路、加热电路和警报电路组成该控制设计系统。该系统设计中通过STC89C52完成启动系统，温度检测电路用来检测水壶内的水温，水位检测电路检测到水位，这些数据会传输到液晶屏上，就可以更加直接的观看。当水壶内水的情况没有达到要求时，比如无水或者水温达到了设定值，警报系统将会启动，提醒人员处理。蓝牙通信可以用来连接手机APP，可以用手机更方便更直观的观测到电热水壶内的情况。图2-1智能防干烧电热水壶控制系统设计框图2.3模块方案选择2.3.1温度传感器的选择方案一：DS18B20传感器实现系统的测温它比较小巧，采集的温度范围较大，并且它的结构并不复杂，供电电压为3～5VCD，对于连接数据来说还相对简单的，它的测温范围为-55℃～+125℃，它的测量精度为±0.5℃，精度较高。方案二：PT100热电偶传感器实现系统的测温PT100热电偶传感器运用范围广，该温度传感器检测的温度范围在-200到+450摄氏度，供电电源为24V，输出信号主要为4～20ma、0～10v、0～5v，它精确度高，误差不大，基本误差为0.2％～0.5％FS，实物如图2.3.1所示。综上所述：在该控制系统设计中，从水温来说，两个传感器基本都可以实现作用，但是从方便性简洁性上来看，DS18B20更好，它的体积比较小，更适合放在电路中，并且连接数据更为简单，所以对本系统的蓝牙模块以及手机APP连接方面来说可以说是如鱼得水，所以综上所述，我们还是选择DS18B20传感器。图2-2DS18B20传感器实物图2.3.2水位传感的选择方案一：YL-83传感器实现系统的测水YL-83水位传感器，它比较小巧方便，能够很好的很精准的采集水位数据，处理后传送给系统，供电电源3.3V到5.5V,驱动能力强超过15ma，输出形式为：数字开关量输出（0和1）和模拟量AO电压输出。方案二：CYW13水位传感器实现系统的测水CYW13水位传感器由由液体压力来得知水位数据，但是需要用外接信号处理装置才可采集信号，液位量程为0～50m，标准信号输出为4～20ma、0～5v、0～10ma，温度漂移低于0.1FS％。综上所述：在该控制系统设计中，我们需要得到水位的数据，并且还需要它把数据处理传输给我们，所以要求水位传感器要小巧方便，并且有很好的检测水位的性能，以此比较，我们选择YL-83处理器更为合适，水位传感器实物图如2.3所示。图2-3YL-83传感器实物图2.3.3蓝牙模块的选择方案一：HC-05蓝牙作为系统的通信模块HC-05蓝牙模块，体型小，其模块的输入电压范围在3.3V-5.5V，普通工作电压为3,3V，工作电流为200ma，支持的波特率为：9600、19200、38400和57600,遵循IEEE802.15.1。系统工作时，静态工作电流低。可支持的通信距离达到20米，在使用时，单片机与蓝牙模块串口通信就能完成数据接发。方案二：DX-BT20蓝牙作为系统的通信模块DX-BT20蓝牙模块，有接近45米的最大传输范围，系统供电电源在1.8-3.3V，频道带宽为1mhz±140khz，数据连接方式为面向连接的同步链路SCO,面向无连接的异步链路ACO。它在1S内传输的数据多，其支持SPP蓝牙串口协议，它解释了进行蓝牙RS232(或相似）串行电缆仿真的设备需使用地协议或过程，但是需注意IOS系统不支持SPP协议，所以只能在安卓系统使用，其也遵循个人无线区域网协议（802.15.1）。综上所述：在该控制系统设计中，最主要的是将手机APP与蓝牙模块连接才可得到控制系统中的数据，所以要求蓝牙器件要便于连接系统并且经济实惠，但是对距离的要求并没有那么高，并且根据系统电源以及达到通信要求的情况下选择HC-05蓝牙模块，实物图如图2.4所示。图2-4HC-05蓝牙实物图2.3.4数显模块的选择方案一：LCD1602液晶显示器作为系统的输出LCD1602液晶显示屏可以输出16*2的数据信号，显示的数据可以是字符、数字、汉字等，工作电流达到2.0ma,工作电压达到5.0v。可以通过并行接口或者串口的方式实现显示屏的驱动控制。方案二：数码管作为系统的输出数码管可以实现数字的输出显示，它的规格较多，通过数码管的段码可以实现输出不同的数字。它的工作电压范围为24v～220v,工作功率为8-12w。正常作为显示数据用时，一个数码管可以显示一个数字。综上所述：在该控制系统设计中，我们需要了解到的关于水温、水位等等的信息，需要显示的格式文字比较多样化，所以我们选择LCD1602显示器更为方便，收集的数据更为准确。它的实物图如图2.5所示。图2-5LCD1602液晶显示屏实物图2.3.5加热模块的选择加热模块我们选择SRD-05VDC-SL-C继电器，它结构简单，便于携带安装，小巧玲珑，价格低廉运用范围广。它有五只引脚，其中一只为公共端，两只为线圈引脚，一只为常开断一只为常闭端，这就相当于一个单刀双掷开关当线圈端加5V直流电压时，触点吸合，负载端闭合或断开，通过输入电流控制继电器的闭合和断开，以此来模拟加热器的导通，当继电器导通后，发光二极管亮，此时可以认作为加热器导通，加热电路工作，同理当一定温度后，继电器断开可视为加热器断开，发光二极管熄灭，加热电路停止加热，所以模仿形成了加热电路模块，继电器实物图如图2.6所示。图2-6SRD-05VDC-SL-C继电器实物图3硬件电路设计3.1单片机最小系统电路智能防干烧电热水壶控制系统设计中，完成的单片机最小系统电路如图3-1所示。图3-1STC89C52单片机最小系统电路STC89C52单片机最小系统电路由单片机复位电路、时钟电路组成。智能防干烧电热水壶控制系统设计的复位电路当电源开启后，给系统提供电源，然后使各传感器复位，接着系统进入工作，复位系统由C1与R1、单片机构成，接入电源后，开始复位。但是，当系统不能正常加热时，还需按下复位键，使得系统再次启动运行。（2）智能防干烧电热水壶控制系统设计的晶振电路该系统设计的晶振电路中，系统在运行过程中，需要提供给该系统设计精确的运行时间。时钟电路中通过Y1晶振以及C2和C3陶瓷电容来构成。采用12MHz的晶振来提供智能防干烧电热水壶控制系统设计的运行时间，其单片机的机器周期为1us。同添加的2个陶瓷电容，提供单片机的可靠时间。3.2LCD1602液晶显示电路该系统设计中，通过液晶屏达到对水温、工作状态的观测。完成的LCD1602液晶显示电路如图3-2所示。图3-2LCD1602液晶显示电路该控制系统设计的数据输出显示电路中，该控制系统设计进入运行后，显示屏的VCC、GND端口接通，并进入运行状态，温度传感器、水位传感器工作，然后将得到的数据发送到显示屏的D0-07端口，并且上传到显示屏并显示出来。在单片机的P0端口接入了PR1的10K排阻，由于单片机接入的VCC为5V，所以，提供的驱动电流足够单片机驱动显示。3.3温度检测电路该控制系统设计中，温度传感器实时运行监测电热水壶内温度数据。温度检测电路如图3-3所示。该控制系统设计中，当系统开始通电后，VCC开始给传感器输入电源，利用DS18B20温度传感器收集到的水温数据发送到单片机，从而体现了温度检测电路的作用。图3-3温度检测电路3.4水量检测电路该控制系统设计中，水位传感器实时运行监测电热水壶内水位数据。完成的水位传感器检测电路如图3-4所示。当系统开始通电后，系统给水位传感器通电并且开始运行，水位传感器于是把测量出来的水壶内的水位情况数据发送给单片机数据端口，自此体现了水位检测电路的作用。图3-4水位传感器采集电路3.5加热电路在该控制系统设计中，当水壶中有水，电热水壶工作。加热电路如图3-5所示。当有水的情况下，电热水壶工作，此时，单片机端口P1.5低电平，系统内PNP极管Q2发射极导通，继电器K1导通，加热器接入电路，同时L2发光指示灯亮说明开始加热，当壶内无水，声光系统直接报警，加热电路不工作，反之有水的情况下当水温加热到100℃时，声光系统报警提示人员需要处理，当温度低于100℃后，加热器重新开始加热（温度节点可根据自身要求调节，我们这里设为100）其中加热电路的软件算法用软件流程图解释，如图3-6。图3-5加热电路图3-6加热电路软件算法图3.6加热温度设定电路智能防干烧电热水壶控制系统设计中，用户根据电热水壶工作的温度需求来实现温度设定。完成的温度设定电路如图3-7所示：我们将设置三个按键，分别为设置键，加键和减键，当我们按下设置键时，我们可以设定我们的温度，这个设定值将是我们水温达到一定时发出警报时的值，当温度超过这个值时将会发出响声，当我们按下减键时可以调低我们的设定温度，同理，加键可以增高我们的设定温度。图3-7加热温度设定电路3.7预警电路该控制系统设计中，若壶内没水，测量到水壶缺水信号后，系统声光预警；若电热水壶有水实现加热时，水温到了设定温度后，系统声光预警，提示电热水壶的使用者。完成的预警电路如图3-7。在该控制系统设计，若检测到壶内没水、水温到了设定温度后，于是系统内部单片机端口P1.4输出低电平，系统内PNP极管Q1发射极导通，B1发声预警。同时系统中发光二极管L1发出红色光。图3-8报警电路图3.8蓝牙通信电路在该控制系统设计中，人员可以利用手机APP与蓝牙连接，然后在手机上监测，系统中蓝牙通信电路如图3-8所示。图3-9蓝牙电路图蓝牙通电电路中，由主控制器的P3.0控制端口、单片机主控制器的P3.1控制端口与蓝牙模块的串口发送端口TXD、蓝牙模块的串口接收端口RXD能匹配识别。再将手机APP与蓝牙模块相连接，这样我们就可以利用手机查看水壶内的情况。

4软件设计4.1主软件流程图智能防干烧电热水壶控制系统设计中，完成的主软件流程图如4-1。图4-1主程序流程图该控制系统设计，由图4-1可知：液晶屏将会显示出各传感器采集到的水温、水位的各种数据并显示出来，若壶内没水、水壶水温到上设定温度后，系统声光预警并不再加热。4.2DS18B20温度控制流程由该控制系统设计的温度检测流程图4-2所示可知：电热水壶控制系统初始化，接着DS18B20传感器开始检电热水壶内的水温，并将采集的温度数据通过高8位与低8位的工作方式实现数据传输，当数据传输到单片机中，会对采集的电热水壶内水温进行分析与处理，最后，在LCD液晶屏幕中输出电热水壶内水温数据。图4-2DS18B20温度控制子程序设计图4.3LCD1602液晶显示流程该控制系统设计中，通过LCD1602液晶屏显示水壶内水温、水壶工作状态的观测。系统工作后，水温、水位传感器开始初始化，接着初始化，系统完全运行后，显示器的数据传输口开始等待检测，当采集的温度数据、水位数据被传输数据后，在显示器中开始写下需要输送数据的地址位置，地址位置写入完毕后，接着在显示器的地址位置上输送温度数据、水位数据，最后系统将其显示输出。图4-3显示子程序图

5实物制作与调试5.1系统实物制作该控制系统的实物制作还是相对比较简单的，但是一定记住几点，各元器件布局要相对合理，否则会造成接线困难等问题，其次要注意美观问题，不能出现飞线，焊接的要求也很重要，焊接质量一定要相对牢固可靠，遵循以下几点，完成的实物图如图5-1所示。（1）首先是图纸的制作，为实物的制作完成前提条件，用PROTEL软件根据设计好的系统图画好，并且将图打印出来，供焊接时备用。（2）通过单片机下载器，将“智能数显防干烧电热水壶控制系统”软件可执行程序安装到单片机芯片内。（3）根据准备好的材料，找到焊接需要的配件，根据图纸，将元器件依次焊接到对应的位置处，一定要确保焊接的位置正确，否则将会前功尽弃。（4）还需用万用表，可以通过万用表更好的判断焊接的准确度和方向。完成的该控制系统实物图如图5-1所示。图5-1智能数显防干烧电热水壶控制系统实物图严格按照图纸焊接好实物后，用万用表依次测量各线路间连接是否正确，确定各元器件之间的电路走向连接是否正确，一定要仔细谨慎不能放过任何一个缺口，否则将会影响实物的使用情况，一切测量完毕，确认没有任何错误后，得出来的测量结果如下：（1）水位测量电路测量数字万用表切换到通断测试档位，然后，将数字万用表的红笔头接入红笔端口接入到单片机的VCC端口，数字万用表的黑笔头接入水位传感器的VCC的端口，测量时发现数字万用表发出报警声；继续测量GND以及水位传感器的输出端口，测量时发出警报声。结果判定：根据以上测试得到的结果可知，水位测量电路的焊接正确。（2）DS18B20温度检测电路测量万用表调好档后，将红笔处插入单片机VCC接口，将黑比插入温度检测电路的VCC接口，发出声响，再测量GND和电路的输出接口，再次发出声响，得出结论，温度测量电路焊接正确。（3）LCD1602数显电路测量继续用调好的万用表，将红笔插入单片机的VCC端口，再将黑笔插入显示器的VCC端口，发出声响，再测GND和显示屏的控制端口和输出端口，发出声响，得出结论，数显电路连接正确。（4）加热电路测量继续用调好档的万用表，按照如上操作将红笔插入单片机VCC端口，将黑笔插入加热电路VCC接口，发出声响，再测量GND和加热电路输出接口，再次发出响声，得出结论，加热电路连接正确。5.2手机APP的制作首先这里要使用APPinventor广州服务器，首先设计界面，添加按钮“搜索设备”、“加减”、“加”、“减”，之后是逻辑块设计，先选择蓝牙以及断开蓝牙的列表选择框和按钮逻辑设计，当APP启动时，列表选用蓝牙为真，按钮断开的启用为假，选择蓝牙时将蓝牙客户端的地址及名称显示出来供我们选择，然后在输入蓝牙客户端就可连接实物的蓝牙系统进行简单的操作，通过蓝牙接收数据，实时监控水温，完成的APP实图如图5-2所示。图5-2手机APP开发界面图5.3系统实物调试1、智能数显防干烧电热水壶控制系统初始化实物测试该控制系统，接入可以充电的充电头，5V的系统电源给系统供电，启动电源开关开启后，该控制系统初始化工作，并和手机建立通信，实物初始化测试如图5-2所示：图5-3智能数显防干烧电热水壶控制系统设初始化实物测试该控制系统设初始化实物测试如图5-2，电源开关开启后，该控制系统的红色电源指示灯亮、蜂鸣器发声报警、预警红色LED指示灯亮、水位传感器灯亮、LCD1602液晶显示屏开始采集到的该控制系统测量到的数据，具体的显示数据信息如下：“T：23.4C”表示现在水壶中水温为23.4摄氏度，RUNSTOP表明系统不在工作，并且黄色指示灯亮说明无水并发出了警报，hi表示设定的温度最高值，LI为设定的温度最低值。2、智能数显防干烧电热水壶控制系统加热测试该控制系统，接入充电头，系统电源开始供电，电源开关启动后，该控制系统初始化工作后和手机建立通信，然后，将水位传感器放入水中，其控制系统加热测试如图5-4所示：图5-4智能数显防干烧电热水壶控制系统加热测试图其控制系统设初始化实物测试如图5-3，当电源开启后，各处灯亮，说明系统已经正常工作，水正在正常加热，然后会将数据传送到显示屏，显示屏上得出的数据如图5-4所示：“T：27.0C”说明壶内的水温为27摄氏度，系统正在正常工作，hi表示的是上限温度，当温度超过这个限定值时会发出警报，LI表示的是下限值，当水温低于这个值以后，加热系统便会再次系统给水加热。3、智能数显防干烧电热水壶控制系统加热完成测试其控制系统加热完成如图5-5所示：图5-5智能数显防干烧电热水壶控制系统加热完成测试图该控制系统设初始化实物测试如图